聊聊Node.js中的進程、執行緒、協程與並發模型

Node.js 現在已成為建置高並發網頁應用程式服務工具箱中的一員，何以 Node.js 會成為大眾的寵兒？本文將從進程、執行緒、協程、I/O 模型這些基本概念說起，為大家全面介紹關於 Node.js 與並發模型的這些事。

進程

我們一般將某個程式正在執行的實例稱為進程，它是作業系統進行資源分配和調度的一個基本單元，一般包含以下幾個部分：

• 程式：即要執行的程式碼，用於描述進程要完成的功能；
• 資料區域：處理程序的資料空間，包括資料、動態分配的記憶體、處理函數的使用者堆疊、可修改的程式等資訊；
• 行程表項：為了實作進程模型，作業系統維護著一張稱為行程表的表格，每個進程佔用一個進程表項（也叫進程控制塊），該表項包含了程式計數器、堆疊指標、記憶體分配情況、所開啟文件的狀態、調度資訊等重要的進程狀態訊息，從而確保進程掛起後，作業系統能夠正確地重新喚起該進程。

進程具有以下特徵：

• 動態：進程的實質是程式在多道程式系統中的一次執行過程，進程是動態產生，動態消亡的;
• 並發性：任何進程都可以與其他進程一起並發執行；
• 獨立性：進程是一個能獨立運作的基本單位，同時也是系統分配資源和調度的獨立單位；
• 非同步性：由於進程間的相互制約，使進程具有執行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預測的速度向前推進。

要注意的是，如果一個程式運行了兩遍，即使作業系統能夠使它們共享程式碼（即只有一份程式碼副本在記憶體中），也不能改變正在執行的程式的兩個實例是兩個不同的進程的事實。

在進程的執行過程中，由於中斷、CPU 調度等各種原因，進程會在下面幾個狀態中切換：

• 運行態：此刻進程正在運行，並且佔用了CPU；
• 就緒態：此刻進程已準備就緒，隨時可以運行，但因為其它進程正在運行而被暫時停止；
• 阻塞態：此刻進程處於阻塞狀態，除非某個外部事件（例如鍵盤輸入的資料已到達）發生，否則進程將無法運作。

透過上面的進程狀態切換圖可知，行程可以從運行態切換成就緒態和阻塞態，但只有就緒態才​​能直接切換成運行態，這是因為：

• 從運行態切換成就緒態是由進程調度程序引起的，因為系統認為當前進程已經佔用了過多的CPU 時間，決定讓其它進程使用CPU 時間；並且進程調度程序是操作系統的一部分，進程甚至感覺不到調度程序的存在；
• 從運行態切換成阻塞態是由進程自身原因（例如等待用戶的鍵盤輸入）導致進程無法繼續執行，只能掛起等待某個事件（例如鍵盤輸入的資料已到達）發生；當相關事件發生時，進程先轉換為就緒態，如果此時沒有其它進程運行，則立刻轉換為運行態，否則進程將維持就緒態，等待進程調度程序的調度。

線程

有些時候，我們需要使用執行緒來解決以下問題：

• 隨著進程數量的增加，進程之間切換的成本將越來越大，CPU 的有效使用率也會越來越低，嚴重情況下可能造成系統假死等現象；
• 每個進程都有自己獨立的記憶體空間，且各個進程之間的記憶體空間是相互隔離的，而某些任務之間可能需要共享一些數據，多個進程之間的數據同步就過於繁瑣。

關於線程，我們需要知道以下幾點：

• 執行緒是程式執行中的單一順序控制流，是作業系統能夠進行運算調度的最小單位，它包含在進程之中，是進程中的實際運行單位；
• 一個進程中可以包含多個線程，每個線程並行執行不同的任務；
• 一個進程中的所有執行緒共享進程的記憶體空間（包括程式碼、資料、堆等）以及一些資源資訊（例如開啟的檔案和系統訊號）；
• 一個行程中的執行緒在其它進程中不可見。

了解了執行緒的基本特徵，下面我們來聊聊常見的幾種執行緒類型。

核心狀態線程

核心態線程是直接由作業系統支援的線程，其主要特點如下：

• 執行緒的建立、調度、同步、銷毀由系統核心完成，但其開銷較為昂貴；
• 核心可將核心態執行緒映射到各個處理器上，能夠輕鬆做到一個處理器核心對應一個核心線程，從而充分地競爭與利用CPU 資源；
• 僅能存取核心的程式碼和資料；
• 資源同步與資料共享效率低於進程的資源同步與數據共享效率。

使用者狀態線程

使用者狀態線程是完全建立在使用者空間的線程，其主要特點如下：

• #執行緒的建立、調度、同步、銷毀由使用者空間完成，其開銷非常低；
• 由於使用者狀態執行緒由使用者空間維護，核心根本感知不到使用者態執行緒的存在，因此核心僅對其所屬的行程做調度及資源分配，而行程中執行緒的調度及資源分配由程式自行處理，這很可能造成一個使用者態執行緒被阻塞在系統呼叫中，則整個行程都會阻塞的風險；
• 能夠存取所屬程序的所有共享位址空間和系統資源；
• 資源同步與資料共享效率較高。

輕量級進程（LWP）

輕量級進程（LWP）是建立在內核之上並由核心支援的用戶線程，其主要特點如下：

• 用戶空間只能透過輕量級進程（LWP）來使用核心線程，可看作是用戶狀態線程與核心線程的橋接器，因此只有先支援內核線程，才能有輕量級進程（LWP）；

• 大多數輕量級進程（LWP）的操作，都需要用戶態空間發起系統調用，此系統調用的代價相對較高（需要在用戶態與內核態之間進行切換）；

• 每個輕量級進程（LWP）都需要與一個特定的內核執行緒關聯，因此：

  • 與核心執行緒一樣，可在全系統範圍內充分地競爭與利用CPU 資源；
  • 每個輕量級進程（LWP）都是一個獨立的執行緒調度單元，這樣即使有一個輕量級進程（LWP）在系統呼叫中被阻塞，也不影響整個進程的執行；
  • 輕量級進程（LWP）需要消耗核心資源（主要指核心執行緒的堆疊空間），這樣導致系統中不可能支援大量的輕量級進程（LWP）；

• 能夠存取所屬進程的所有共享位址空間和系統資源。

小結

上文我們對常見的執行緒類型（核心態執行緒、使用者狀態執行緒、輕量級進程）進行了簡單介紹，它們各自有各自的適用範圍，在實際的使用中可根據自己的需要自由地對其進行組合使用，比如常見的一對一、多對一、多對多等模型，由於篇幅限制，本文對此不做過多介紹，有興趣的同學可自行研究。

協程

協程（Coroutine），也叫纖程（Fiber），是一種建立在執行緒之上，由開發者自行管理執行調度、狀態維護等行為的一種程式運作機制，其特點主要有：

• 因執行調度無需上下文切換，故具有良好的執行效率；
• 因運行在同一線程，故不存在線程通訊中的同步問題；
• 方便切換控制流，簡化程式設計模型。

在JavaScript 中，我們常用到的async/await 便是協程的一種實現，例如下面的例子：

function updateUserName(id, name) {
  const user = getUserById(id);
  user.updateName(name);
  return true;
}

async function updateUserNameAsync(id, name) {
  const user = await getUserById(id);
  await user.updateName(name);
  return true;
}

上例中，函數updateUserName 和updateUserNameAsync 內的邏輯執行順序是：

##呼叫函數
• getUserById 並將其傳回值賦給變數user;
呼叫
• user 的updateName 方法;
傳回
• true 給呼叫者。

兩者的主要差異在於其實際運行過程中的狀態控制：

#在函數
• updateUserName 的執行過程中，依照前文所述的邏輯順序依序執行；
在函數
• updateUserNameAsync 的執行過程中，同樣依照前文所述的邏輯順序依序執行，只不過在遇到await時，updateUserNameAsync 將會被掛起並儲存掛起位置目前的程式狀態，直到await 後面的程式片段回傳後，才會再次喚醒updateUserNameAsync並恢復掛起前的程式狀態，然後繼續下一段程式。

透過上面的分析我們可以大膽猜測：協程要解決的並非是進程、執行緒要解決的程式並發問題，而是要解決處理非同步任務時所遇到的問題（例如檔案操作、網路請求等）；在

async/await 之前，我們只能透過回呼函數來處理非同步任務，這很容易使我們陷入回呼地獄，生產出一坨坨屎一般難以維護的程式碼，透過協程，我們便可以實現非同步程式碼同步化的目的。

要牢記的是：協程的核心能力是能夠將某段程式掛起並維護程式掛起位置的狀態，並在未來某個時刻在掛起的位置恢復，並繼續執行掛起位置後的下一段程序。

I/O 模型

一個完整的I/O 操作需要經歷以下階段：

• 用戶進（線）程透過系統呼叫向核心發起I/O 操作請求；
• 核心對I/O 操作請求進行處理（分為準備階段和實際執行階段），並將處理結果傳回使用者進（線）程。

我們可將I/O 操作大致分為阻塞I/O、非阻塞I/O、同步I/O、非同步I/O 四種類型，在討論這些類型之前，我們先熟悉下以下兩組概念（此處假設服務A 呼叫了服務B）：

• 阻塞/非阻塞：

  • 如果A 只有在接收到B 的回應之後才傳回，那麼該呼叫為阻塞呼叫;
  • 如果A 呼叫B 後立即返回（即無需等待B 執行完畢），那麼該呼叫為非阻塞呼叫。

• 同步/非同步：

  • #如果B 只有在執行完之後再通知A，那麼服務B 是同步的；
  • 如果A 呼叫B 後，B 立刻給A 一個請求已接收的通知，然後在執行完之後透過回呼的方式將執行結果通知給A，那麼服務B 就是非同步的。

很多人經常將阻塞/非阻塞與同步/非同步搞混淆，故需要特別注意：

• 阻塞/非阻塞針對於服務的呼叫者而言；
• ##同步/非同步針對於服務的被呼叫者而言。

了解了

阻塞/非阻塞與同步/非同步，我們來看特定的 I/O 模型。

阻塞I/O

定義：用戶進（線）程發起

I/O 系統呼叫後，用戶進（線）程會立即被阻塞，直到整個I/O 作業處理完畢並將結果回傳給使用者進（線）程後，使用者進（線）程才能解除阻塞狀態，繼續執行後續操作。

特點：

由於此模型會阻塞使用者進（線）程，因此此模型不佔用CPU 資源；
• 在執行
• I/ O 操作的時候，用戶進（線）程不能進行其它操作；
該模型僅適用於並發量小的應用，這是因為一個
• I/O 請求就能阻塞進（線）程，所以為了能夠及時回應I/O 請求，需要為每個請求分配一個進（線）程，這樣會造成巨大的資源佔用，並且對於長連接請求來說，由於進（線）程資源長期無法釋放，如果後續有新的請求，將會產生嚴重的效能瓶頸。

非阻塞I/O

定義：

用戶進（線）程發起
• I/O 系統呼叫後，如果該I/O 操作未準備就緒，則該I/O 呼叫將會傳回錯誤，使用者進（線）程也無需等待，而是透過輪詢的方式來偵測該I/O 操作是否就緒；
操作就緒後，實際的
• I/O 操作會阻塞使用者進（線）程直到執行結果返回給用戶進（線）程。

特點：

由於該模型需要使用者進（線）程不斷地詢問
• I/O 操作就緒狀態（一般使用while 循環），因此此模型需佔用CPU，消耗CPU 資源；
在
• I/O 操作就緒前，使用者進（線）程不會阻塞，等到I/O 操作就緒後，後續實際的I/O 操作將阻塞使用者進（線）程；
此模型僅適用於並發量小，且不需要及時響應的應用。

同（異）步I/O

用戶進（線）程發起

I/O 系統呼叫後，如果此I/O 呼叫會導致使用者進（線）程阻塞，那麼該I/O 呼叫便為同步I/O，否則為非同步I/O。

判斷

I/O 操作同步或非同步的標準是用戶進（線）程與I/O 操作的通訊機制，其中：

• 同步情況下用戶進（線）程與I/O 的交互是透過內核緩衝區進行同步的，即內核會將I /O 操作的執行結果同步到緩衝區，然後再將緩衝區的資料複製到用戶進（線）程，這個過程會阻塞用戶進（線）程，直到I/O 操作完成；
• 非同步情況下用戶進（線）程與I/O 的互動是直接透過核心進行同步的，即核心會直接將I/O 操作的執行結果複製到使用者進（線）程，這個過程不會阻塞使用者進（線）程。

Node.js 的並發模型

Node.js 採用的是單執行緒、基於事件驅動的非同步I/O模型，個人認為之所以選擇該模型的原因在於：

• JavaScript 在V8 下以單執行緒模式運行，為其實現多執行緒極其困難；
• #絕大多數網絡應用程式都是I/O 密集的，在保證高並發的情況下，如何合理、有效率地管理多執行緒資源相對於單執行緒資源的管理更加複雜。

總之，本著簡單、高效的目的，Node.js 採用了單執行緒、基於事件驅動的非同步I/O 模型，並透過主執行緒的EventLoop 和輔助的Worker 執行緒來實現其模型：

• Node.js 進程啟動後，Node.js 主執行緒會建立一個EventLoop，EventLoop 的主要作用是註冊事件的回呼函數並在未來的某個事件循環中執行；
• Worker 執行緒用來執行特定的事件任務（在主執行緒之外的其它執行緒中以同步方式執行），然後將執行結果傳回主執行緒的EventLoop 中，以便EventLoop 執行相關事件的回呼函數。

要注意的是，Node.js 並不適合執行CPU 密集型（即需要大量計算）任務；這是因為EventLoop 與JavaScript 程式碼（非非同步事件任務程式碼）運行在同一線程（即主執行緒），它們中任何一個如果運行時間過長，都可能導致主執行緒阻塞，如果應用程式中包含大量需要長時間執行的任務，將會降低伺服器的吞吐量，甚至可能導致伺服器無法回應。

總結

Node.js 是前端開發人員現在甚至未來不得不面對的技術，然而大多數前端開發人員對Node.js 的認知僅停留在表面，為了讓大家更能理解Node.js 的並發模型，本文先介紹了進程、線程、協程，接著介紹了不同的I/O 模型，最後對Node.js的並發模型進行了簡單介紹。雖然介紹 Node.js 並發模型的篇幅不多，但筆者相信萬變不離其宗，掌握了相關基礎，再深入理解 Node.js 的設計與實現必將事半功倍。

最後，本文若有紕漏之處，也望大家能夠指正，祝大家快樂編碼每一天。

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以上是聊聊Node.js中的進程、執行緒、協程與並發模型的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！